废铁屑对剩余污泥厌氧消化特性的影响

阮仁俊, 李运晴, 项经纬, 赵俊杰, 孙俊伟, 赵 伟, 操家顺

1.安徽工程大学建筑工程学院， 安徽 芜湖 241000 2.河海大学环境学院， 江苏 南京 210098

近年来，我国剩余污泥产量逐年增加，到2020年，市政污泥产量预计为 6 000×104～9 000×104t[1]，污泥处理形势不容乐观. 如何有效处理污泥并实现污泥的快速稳定、减轻财政压力是我国当前面临的重要问题. 厌氧消化工艺可同时实现污泥无害化、减量化、稳定化和能源化[2]，有效解决环境和能源危机问题，并可有效减少碳排放. 目前发达国家多面临能源紧缺问题，厌氧消化工艺成为污水处理厂污泥处理的主要方式[3]. 剩余污泥厌氧消化不仅可获得初步减量(约30%左右)，同时可释放污泥胞内的有机质，并在微生物作用下发生一系列生化反应，最终被转化为能源性产物——沼气，用于回收能量[4]，以部分弥补污水处理厂的能源消耗，为终极目标“碳中和”的实现做出贡献[5].

水解酸化是剩余污泥厌氧消化的限速步骤[6]，为弥补该不足，零价铁粉(ZVI)的使用受到大多数研究者的青睐[7-8]. ZVI的还原属性可以为厌氧微生物创造更适合生长的厌氧环境，提高水解菌和产甲烷菌的活性[9]，尤其是营氢型产甲烷菌，从而提高厌氧消化性能. ZVI的投加可使整个厌氧环境的氧化还原电位(ORP)降低100 mV[10]. 纳米零价铁(nZVI)作为一种特殊的铁元素材料，也被广泛地用于环境修复[11]. 但ZVI和nZVI都具有很强的还原性，会破坏产甲烷微生物细胞膜的完整性，提高细胞膜的通透性，通过释放重金属离子破坏微生物的DNA和酶的活性. 此外，nZVI的破坏性更强，除上述不利影响外，还会因水合氢离子离解复合作用(H3O++e-→·HO+H2)产生胞内活性氧杀死微生物[3]. 此外，nZVI的投加也会导致乳酸脱氢酶的释放，同样会对微生物产生抑制作用[12].

虽然ZVI或nZVI因比表面积大而具有强烈的还原属性，可促进剩余污泥厌氧消化效率，但其价格十分昂贵，这在某种程度上会降低甚至抵消附属产物沼气所带来的经济效益. 此外，ZVI或nZVI投加量不易控制，时常会发生小剂量的增加而产生严重的抑制效果[13]. 因此，急需寻找对厌氧消化有促进作用的其他外源添加剂来替代ZVI和nZVI. RSI是一种常见而鲜被利用的含铁材质，具有一定还原属性，其产生量大且未被得到充分有效利用. 鉴于此，该研究尝试以RSI代替ZVI和nZVI用于剩余污泥厌氧消化外源添加剂，探索其投加对剩余污泥厌氧消化效率的影响，并从消化污泥表面形态变化来阐明影响机理，以期为实现厌氧消化技术的工程化应用和提高剩余污泥厌氧消化产气效率奠定基础.

1 材料与方法

1.1 试验材料

剩余污泥取自南京江宁经济开发区污水处理厂二沉池，-20 ℃下储藏待用. 剩余污泥在使用之前进行碱预处理[14]，即首先用4 molL的NaOH溶液将pH调至12，80 rmin下搅拌6 h，再用4 molL的盐酸溶液将pH调至7，污泥碱预处理前后的特性如表1所示. 厌氧接种污泥取自洋河酒厂污水站污泥膨胀床(EGSB)，种泥中VS(挥发性固体)、TS(总固体)浓度分别为24.1、34.7 gL，接种之前种泥处于饥饿状态1周. 废铁屑购于南京某机械加工车间，表面覆盖一层铁锈，使用之前用0.1 molL的NaOH溶液浸泡24 h以去除表面油渍.

表1 剩余污泥和碱预处理污泥的基本特性

1.2 试验装置与设计

为了解RSI投加量对剩余污泥厌氧消化的影响，试验分2个阶段进行.

第1阶段考察RSI投加量对剩余污泥厌氧消化水解酸化的影响. 该阶段为期5 d，试验在6个相同的500 mL(有效容积400 mL，装有300 mL基质污泥、100 mL种泥)锥形瓶中进行. 通过向反应器中投加溴乙基磺酸钠(BESA)和热处理相结合的方法来达到抑制产甲烷微生物的活性，厌氧消化试验之前，剩余污泥底物置于烘箱30 min，烘箱温度设置为102 ℃，降至室温后转至锥形瓶中，并向锥形瓶中加入一定量的BESA(浓度为50 mmol/L)，RSI投加量分别为0(空白组)、1、5、10、20、30 g/L，曝氮气5 min以去除反应器中残留的氧气. 反应于数显恒温振荡器中进行，温度35 ℃，转速150 r/min. 初期将pH调为7.2，曝氮气5 min，去除残留在锥形瓶中的氧气，进行密封. 所产沼气收集于一个500 mL的气袋(CEL Scientific, Santa Fe Springs, CA, USA)中.

第2阶段考察RSI投加量对剩余污泥厌氧消化性能的影响. 该阶段序批式厌氧消化试验在6个相同的500 mL(有效容积400 mL，装有300 mL基质污泥、100 mL种泥)的锥形瓶中进行，RSI投加量分别为0(空白组)、1、5、10、20、30 g/L，曝氮气5 min以去除反应器中的氧气，进行密封. 反应于数显恒温振荡器中进行，温度35 ℃，转速150 r/min，序批式厌氧消化试验整个周期持续30 d. 初期将pH调为7.2，曝氮气5 min以去除残留在锥形瓶中的氧气，后期每天检测一次pH，但不进行pH调节. 所产沼气收集于一个5 L的气袋中. 为了保证沼气厌氧消化所产沼气中含有足够的H2S气体，试验期间，每天向反应器中投加0.5 g Na2SO4.

1.3 测试方法

pH和氧化还原电位(ORP)采用哈希水质分析仪(MTC101，仪库工业仪表有限公司，美国)测定；VS、TS、VSS、TSS、SCOD、TCOD、Fe(Ⅱ)和Fe(T)〔Fe(Ⅱ)+Fe(Ⅲ)〕浓度采用美国《水与废水标准检验方法》(第20版)[15]测定；沼气组成(CH4、CO2、H2S和O2)采用便携式沼气分析仪检测. 消化液中VFAs浓度采用气相色谱仪安捷伦(GC7890)进行测定，蛋白质浓度釆用Folin-酚试剂比色法测定，多糖浓度采用苯酚-硫酸法测定，其他部分有机物浓度为TCOD浓度与VFAs、蛋白质、多糖浓度的差值. 蛋白酶和纤维素酶浓度采用ZHANG等[16]提出的方法进行测定，即用足量缓冲剂(pH=7.0)稀释待测样品，试验缓冲剂组成为50 mmol/L的三羟甲基氨基甲烷(pH=6.8)、1.5 g/L的NaN3、10 mmol/L的CaCl2、10 mmol/L的二氯二苯三氯乙烷. 样品和缓冲剂混合液在60 ℃下连续振荡1 h，采用苯酚-硫酸法测定最终产生的溶解性多糖浓度.

2 结果与讨论

2.1 RSI投加量对剩余污泥厌氧消化水解酸化的影响

2.1.1剩余污泥厌氧消化上清液有机组成

剩余污泥水解酸化期间，经过破胞作用将胞内的大分子固体有机物释放到液相中，该过程恰是剩余污泥厌氧消化的限速步骤，再经胞外水解作用被转化成小分子有机物. 试验过程中，向6组锥形瓶中加入不同剂量的RSI，为防止酸化产物VFAs被消耗，投加BESA以抑制产甲烷菌的活性. 经5 d发酵后，上清液中主要有机组分为蛋白质、多糖、VFAs.

从图1可以看出，空白组经过5 d发酵后，污泥上清液中蛋白质占总有机物的55.1%，是主要的有机组分，归因于原始污泥有机组分中蛋白质含量最高[17]，如图1所示，初始污泥蛋白质占总有机物的53.3%，经5 d发酵后，破胞之后被释放出来. 由图1可见，RSI投加量从0 gL增至20 gL时，发酵上清液中蛋白质浓度持续降低，由 1 302.8 mgL降至597.9 mgL. 上清液中多糖和其他一些未知组分的有机物浓度变化趋势与蛋白质相同，分别由271.7和 1 329.7 mgL降至126.3和122.7 mgL；但上清液中VFAs浓度的变化正好与上述三者相反，随着RSI投加量由0 gL升至20 gL，其浓度持续升高，由 1 993.2 mgL升至 2 903.2 mgL. 可见，RSI的投加可以促进剩余污泥的水解酸化. 然而，当进一步将RSI投加量升至30 gL时，上清液中蛋白质、多糖和其他未知有机物的浓度均略有升高，而VFAs浓度略有降低，可能是因为RSI投加量过高，水解酸化菌受到了一定的抑制作用.

图1 RSI对剩余污泥厌氧消化水解酸化有机组分的影响Fig.1 Effects of RSI on the organic components in the hydrolytic-acidogenic processes during WAS anaerobic digestion

剩余污泥发酵5 d后，上清液中VFAs各组分浓度的变化情况如图2所示. 从图2可以看出，乙酸是VFAs(乙酸、丙酸、丁酸和戊酸)的主要产物. RSI投加量分别为1、5、10、20和30 gL时，乙酸浓度呈先升后降的变化趋势，分别为889.2、1 090.8、1 198.7、1 426.5 和 1 203.1 mgL. 与空白组相比，乙酸浓度分别提高了38.2%、69.5%、86.3%、121.7%和87.0%. 其中RSI投加量为20 gL时乙酸浓度最高，但进一步提升至30 gL时乙酸产量反而有所降低. 这可能是由于RSI投加量过高会造成系统的还原性氛围过强且释放的铁离子浓度过高，破坏微生物细胞膜的完整性，提高细胞膜的通透性. 释放的铁离子进入胞内并破坏微生物的DNA和酶的活性，进而对水解酸化细菌产生了一定的抑制作用[18]，说明适量的RSI投加量可有效提高VFAs中乙酸的浓度. 上清液中丁酸浓度变化趋势与乙酸相同，而丙酸浓度变化趋势与乙酸恰好相反，RSI投加量分别为1、5、10、20和30 gL时，丙酸浓度分别为426.4、362.4、332.9、316.4和341.5 mgL，较空白组分别降低了10.5%、23.9%、30.1%、33.6%和28.3%. 厌氧消化3个主要发酵类型分别是乙酸型发酵、丙酸型发酵与丁酸型发酵[19]，只有当ORP高于-278 mV时，丙酸型发酵才能发生[20]，而乙酸型发酵和丁酸型发酵对系统的还原性氛围要求更高. 相应的发酵产物乙酸和丁酸的甲烷化过程对氢分压要求较低，而产物丙酸的甲烷化过程对氢分压要求更高，为高效完成厌氧消化最后一步甲烷化过程，酸化产物乙酸和丁酸浓度越高越有利. RSI的主要成分是零价铁，零价铁作为一种还原性材料，可强化环境的还原性氛围，促使氧化还原电位降低100 mV左右[6]，促进乙酸型发酵和丁酸型发酵，同时抑制丙酸型发酵的进行[21]，有益于后续厌氧消化甲烷产量的提高.

图2 RSI对剩余污泥厌氧消化水解酸化VFAs组分的影响Fig.2 Effects of RSI on the VFAs component in the hydrolytic-acidogenic processes during WAS anaerobic digestion

2.1.2剩余污泥厌氧消化产气组分

经过5 d发酵后，各反应器累积的沼气组分主要为CO2，同时含有少量的CH4、H2和H2S气体(见图3). 当RSI投加量分别为0、1、5、10、20和30 gL时，CO2产量分别为18.7、25.3、29.7、34.2、45.1和28.4 mLg(以VSS计). CO2是反应器中有机物矿化的终端产物，其产量高低能够间接反映微生物的活性情况，可见，在RSI投加量为20 gL时，体系微生物活性最高. 该研究通过联合热处理和投加BESA甲烷抑制剂来抑制产甲烷菌，可能是因为产甲烷菌没有被完全抑制，所以造成产气中微量CH4的存在. 剩余污泥在水解酸化过程中会产生少量的H2，加之硫酸盐还原菌的存在，导致少量H2S气体的产生. 这可能是产甲烷菌中营氢型产甲烷菌受到了抑制，造成产气中H2的积累.

图3 经过5 d发酵后累积的沼气组分产量Fig.3 Component of cumulative biogas in digesters after 5 d operation

2.1.3剩余污泥序批式厌氧消化期间甲烷产率和沼气甲烷含量的变化

RSI投加量对剩余污泥厌氧消化性能的影响可通过观察序批式厌氧消化期间累积性甲烷产率和沼气甲烷含量这两个指标的变化来获知. 从图4可以看出，RSI投加对剩余污泥厌氧消化甲烷产率和沼气甲烷含量都起到明显的促进作用，这与ZHANG等[22]的研究结果一致. RSI投加量分别为0、1、5、10、20和30 gL时，累积甲烷产率分别为135.4、141.9、159.2、178.9、209.3和180.7 mLg. 试验进入第9天时，各处理组沼气中甲烷含量都接近最大值，9～30 d期间各组沼气甲烷含量轻微波动，分别处于51.2%～56.4%、53.9%～58.6%、58.1%～62.5%、59.5%～68.3%、61.1%～71.2%和51.9%～61.4%之间. 可见，RSI的投加可显著提高剩余污泥厌氧消化甲烷产率和甲烷含量，且最佳投加量为20 gL，与空白组相比，二者分别提升了54.6%和23.0%. RSI作为一种被废弃的含铁材质，可作为一种添加剂提升厌氧消化性能，且性价比较高，如与酸预处理的污泥相比，沼气甲烷含量提升54%[23]；与碱-超声波预处理污泥相比，沼气甲烷含量提升64%[24]；与零价铁粉相比，沼气甲烷含量提升62.0%[25].

RSI投加量(gL): 1—0; 2—1; 3—5; 4—10; 5—20; 6—30.图4 不同RSI投加量对剩余污泥序批式厌氧消化的影响Fig.4 Effect of RSI dosages on anaerobic digestion of WAS in batch tests

图5 不同RSI投加量的消化污泥扫描电镜和X-射线能谱图Fig.5 SEM-EDX analysis of digested sludge with different RSI doses

2.1.4RSI投加量对厌氧消化污泥形态结构的影响

图5为消化污泥的扫描电镜-X射线能谱分析(SEM-EDX)结果，观察污泥形态可知，空白组污泥表面比较平整，而投加1 gL或20 gL RSI后污泥表面变得凹凸不平. 更高倍率的扫描电镜图像(见图6)显示，污泥表面存在“花瓣状”的铁氧化物聚集物〔如FeCO3、Fe3O4、Fe2O3、Fe(OH)3和FeOOH〕[26-27]，说明在厌氧消化过程中微生物可促进RSI的溶解. 空白组铁元素含量相对较低且污泥絮体微观结构较紧凑，而RSI投加量分别1和20 gL时污泥絮体微观结构比较松散，说明RSI的投加可促进污泥表面结构的溶解乃至降解. 此外，由X-射线能谱分析结果可知，随着RSI投加量的增加，污泥表面铁元素含量也随之升高，这是由部分以铁硫化合物形式被固定的铁元素附着在污泥表面所致. 对于RSI投加量为20 gL的试验组，通过观察更高倍率的扫描电镜图像(见图6)发现，在细胞表面存在一些晶体状斑点，EDX分析显示这是由含铁化合物造成的. RSI的投加会生成含铁化合物沉淀(如铁磷、铁硫化合物[18])或因物理作用而破坏细胞膜[28]，若投加量(30 gL)过高会产生一定的抑制作用. 该研究中RSI投加量低于30 gL时可避免上述抑制作用的产生.

图6 剩余污泥在RSI投加量为20 gL时的扫描电镜图(×10 000)Fig.6 Scanning electron micrographs of WAS exposing to 20 gL RSI (×10 000 )

图7 RSI投加量对剩余污泥厌氧消化关键性酶活性的影响Fig.7 Effect of RSI dosages on specific activity of the key enzymes involved in anaerobic digestion of WAS

此外，RSI释放的铁离子可透过细胞膜进入细胞内部，进而促进关键酶(如蛋白酶和纤维素酶)的活性(见图7). 当RSI投加量分别为0、1、5、10、20和30 gL时，蛋白酶的活性分别为2.78、3.12、3.57、4.11、5.03和3.25 Ug，纤维素酶的活性分别为0.11、0.15、0.23、0.31、0.43和0.16 Ug. 可见，在RSI投加量适中时，蛋白酶和纤维素酶的活性随RSI投加量的增加而升高，因为铁元素对厌氧消化相关酶活性影响最大[29-30]，但RSI投加量(30 gL)过高则会对酶的活性产生抑制作用. Dinh等[31]利用一种新的方法分离类似于甲烷杆菌属的古生菌，发现零价铁的投加会使产甲烷效果明显优于营氢型产甲烷菌，证明了零价铁对厌氧产甲烷的促进作用. 对于铁离子是否会束缚产甲烷菌相关功能酶的特殊DNA以及加速细胞复制，至今尚无定论.

3 结论

a) 剩余污泥厌氧消化水解酸化的主要有机产物是蛋白质、多糖和VFAs，且RSI可促进上清液中蛋白质和多糖等大分子有机质降解为VFAs，其中，乙酸是上清液中VFAs的主要成分. 可见，RSI投加量适中时可促进乙酸型发酵和丁酸型发酵，抑制丙酸型发酵，RSI投加量过高会对水解酸化产生抑制作用.

b) RSI投加可明显促进剩余污泥水解酸化效率，在产甲烷菌活性被抑制的条件下，产气成分主要由CO2组成. 在RSI投加量为20 gL时，有机物矿化终端产物CO2产量最高，可间接反映出微生物活性最高.

c) 投加RSI可明显促进剩余污泥厌氧消化产气性能，且最佳投加量为20 gL，若投加量过高，则会对产甲烷微生物产生一定的抑制作用.

d) 厌氧消化期间微生物可促进RSI的溶解，且随RSI投加量的增加，消化污泥表面的铁元素含量也随之增加. RSI剂量适中可提高蛋白酶和纤维素酶的活性，若投加量过高则会产生抑制作用.